CN101272653A

CN101272653A - 电磁感应灯数字化智能型电源

Info

Publication number: CN101272653A
Application number: CNA2007100516903A
Authority: CN
Inventors: 余启发
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-24

Abstract

本发明涉及电光源的控制技术，是专为电磁感应灯提供电源的一种电磁感应灯数字化智能型电源，它包括有依次电连接的电磁兼容电路、整流滤波电路、有源功率因数校正电路、半桥驱动功率输出电路，特别是：增设了数字控制单片机分别连接有源功率因数校正电路与半桥驱动功率输出电路，与单片机通过接口电路还连接有人机交互界面，并与单片机连接有传感器组；本发明电源简化了硬件电路，控制方式灵活、保护系统完善、故障率低、电能转化效率高、节能效果更显著。

Description

电磁感应灯数字化智能型电源

(一)技术领域：

本发明涉及电光源的控制技术领域，是专为电磁感应灯提供电源的一种电磁感应灯数字化智能型电源。

(二)背景技术：

电磁感应灯作为一种当代新型高效节能型电光源，因其发光效率高、显色性好、寿命长、节能高效、绿色环保等显著优点，已得到广泛的应用。电磁感应灯是采用电磁感应原理，使等离子体与电路磁力线耦合，将外部的电能转化为灯内部工作所需要的能量。套在灯管外面的一对软磁环的作用犹如变压器的初级线圈，而闭合的灯管的作用犹如变压器的次级线圈。在接通电源后，电源会产生210～250k工作频率的交变电流，从而在放电区产生交变磁场。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在灯管内产生感应电流，从而使低压汞和惰性气体的混合蒸气产生放电，辐射出253.7nm的紫外线，再通过荧光粉转化为可见光。由于没有电极，灯管部分不存在易损元件，整个系统的寿命主要取决于电源，所以这类灯的寿命可以做得非常长，即达到100,000小时以上。与其它产品相比，使用寿命相当于普通节能灯的10-15倍、高强度气体放电灯的10-12倍，节能效果比普通节能灯省电50％、比钠灯、金卤灯省电75％、比普通白炽灯省电90％。但是目前的电磁感应灯是采用模拟电路构成的电子镇流器提供电源，由于受传统模拟控制原理的限制，它的硬件电路复杂，保护功能不完善，控制方式单一。

(三)发明内容：

本发明的目的就是要克服现有电子镇流器硬件电路复杂，保护功能不完善，控制方式单一的问题，专为电磁感应灯提供一种电磁感应灯数字化智能型电源。

本发明电源是根据电磁感应灯的工作原理，应用单片机数字控制技术，基于数字可寻址照明接口(DALI)，开发设计的一款可靠性高、寿命长、效率高(内耗小)、体积小、不易仿冒的电源。它具备有方案级实时操控能力的硬件和软件平台，通过人机交互界面(PC机或控制面板)，以数字信号作为基本控制源，通过传输路由，使用该信号驱动相应的数字模块，由数字模块完成操作动作，从而根据需要定量地或实时地自动改变或调整电磁感应灯(单个、多个、分组)的工作状态，并具备完善的保护体制。

本发明的具体方案是：电磁感应灯数字化智能型电源，包括有依次电连接的电磁兼容电路、整流滤波电路、有源功率因数校正电路、半桥驱动功率输出电路，其特征在于：增设了数字控制单片机分别连接有源功率因数校正电路与半桥驱动功率输出电路，与单片机通过接口电路还连接有人机交互界面，并与单片机连接有传感器组。

本发明电路中还配设有过电流、过(欠)电压、过温度、防雷击、重复点火、无负载保护电路。

本发明所述有源功率因数校正电路，主要由功率开关管Q1、升压电感器L1、升压二极管D1、输出滤波电容C2及反馈环路所组成。

本发明所述半驱动功率输出电路主要由半桥驱动芯片I C2和两个功率开关Q2、Q3及配套电路组成。

本发明所述接口电路包括DALI、触摸按键、红外遥控控制接口。

本发明所述数字控制单片机具有8000字节FLASH(程序存储器)、512字节EEPROM(可擦写存储器)，512字节SRAM(数据存储器)，三个定时器，10位AD采样精度。两个12位高速专用功率级控制器PSC，集成DALI协议，自动检测“SWISS”或0-10伏亮度调节信号。

本发明电源通过使用现代照明技术实现了能耗的降低，同时提高了系统的灵活性并降低了维护的成本。便利并且用户化的调光控制可用于满足主流的条件(最大负荷、能耗比率、可见光、位置、任务类型)和局部的需求。日光的强度、最大的调光要求以及传感器对于节能的作用是不言而喻的。它包括了静态的部件(根据时段编程好的调光或开关)和动态的部件(根据检测到的状况和周围的光线亮度进行开关或调光)，可以实现不同效率光源、调光和开关的策略(传感器、已编制的开关切换、日光的吸收、最大调光负荷)，这样能耗可降低30％到60％。在负荷最大的阶段，还可通过设置不同负载的调光点来降低有效的负荷，从而实现能耗的进一步降低。

本发明电源提供了一个开放的环境，在这个环境下，电源可以实现任意分组并根据特定的任务要求、传感器的参数选择以及空间的改变以多种方式进行控制，可以由个人独立控制调光或增加工作间的灯光亮度，从而实现根据任务和工作者的年龄来实现最佳的光线调节。此外，当空间需要重新布置或任务发生改变，也不一定要将灯移动和重新布线。相反，在许多情况下，只需要对电源进行重新配置和编程就可实现最优化的照明条件。

本发明电源的相关信号持续向中央计算机提供信息，包括能量信息、灯和电源的故障信号。当处理庞大的照明设备组时，照明网络所产生的能量信息可用来验证能耗的节省，生成负载分布、内部帐单以及单位产品的照明成本，甚至还可以通过辅助计量来提供准确的信息。当监视到整个照明网络中的异常状况，需要立即替换灯和电源或需要排除故障时将发出警报并可以指示需要替换哪种类型的元件(灯或电源)以及哪种类型的灯和电源所在的位置。

(四)附图说明：

图1是本发明电路结构方框图；

图2是本发明的总体电路图；

图3是本发明功率因数校正电路图；

图4是本发明半桥驱动功率输出电路图；

图5是本发明DALI接口电路图；

图6是本发明单片机QM-CPU1示意图。

(五)具体实施方式：

本发明电源主要由高性能的电磁兼容电路(EMC采用常规电磁兼容电路)、整流滤波电路(采用常规整流滤波电路)、极稳定的有源功率因数校正电路(APFC)、半桥驱动及功率输出电路、单片机数字控制电路、信号接口电路、传感器组、人机交互界面以及过电流、过电压、欠电压、过温度、防雷击、重复点火、无负载保护电路等其它辅助电路组成。参见图1电路结构方框图及图2电路图。

交流电源经防雷击保护电路后连接EMC电磁兼容电路，再连接整流滤波电路，整流滤波电路的直流输出连接APFC有源功率因数校正电路。功率因数校正电路用来减少输入电流的谐波，提高功率因数，减少对电网的污染，同时还给后级提供稳定的输入电压，使输出的电压不受电网电压变化的影响，使灯能在较大的电网电压变化范围内正常启动和工作。

APFC电路(参见图3)主要由功率开关管Q1、升压电感器L1、升压二极管D1、输出滤波电容C2及反馈环路所组成。APFC的工作原理基于升压电感L1电流与电压之间的物理关系。在Q1导通时，升压二极管D1则截止，滤波电容C2通过负载放电。当Q1由导通跃变为关断时，L1产生的突变电势使D1正向偏置而导通，L1中的储能经D1释放，对C2充电。由于Q1和D1交替导通，使整流器输出电流经L1连续流动，从而产生稳定的输出电压。输出电压一般为400V。如图二所示。L1副绕组提供的零电流采样信号可实现过零开通，有效减小电路中开关管的损耗。电流采样、电压采样信号经过单片机处理输出功率因数校正(PFC)控制信号经驱动电路送入功率开关管Q1实现输出的恒压、恒功率以及电路的开路保护和短路保护。

半桥驱动及功率输出电路(参见图4)主要由IC2和Q2、Q3组成。IC2为我公司自主开发的电磁感应灯数字化智能型电源专用半桥驱动芯片QM-IC2，该芯片具有芯片体积小(DIP8)、集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件)、动态响应快、驱动能力强、工作频率高等特点。该芯片的逻辑输入能与标准的CMOS或TTL输出电路兼容，完全可以由单片机产生的信号来直接驱动。单片机输出的功率级控制高电平(PSC-H)、功率级控制低电平(PSC-L)控制信号经过IC2使其输出的驱动波形可以直接驱动半桥功率输出电路的上下两个大功率MOS管，从而简化了电路，使控制简单又方便。单片机输出不同的脉宽调制(PWM)信号达到功率调节的目的，实现无级调光。电流、电压采样信号及其它的传感器信号被接入单片机，实现过电流、过(欠)电压、负载开路保护功能，使整个电路的工作稳定而可靠。

接口电路包括DALI、触摸按键、红外遥控等控制方式的接口。DALI接口主要用高速光耦实现DALI对单片机的隔离，参见图5。

数字控制以单片机为核心。从人机交互界面(PC机或控制面板)发出的数据通过接口电路发送到单片机，单片机解释指令和发送相应信号到半桥驱动器。半桥驱动器通过功率输出电路来控制灯，完成灯的点火、运行及其相关控制。同时单片机又将各种相关数据反馈到DALI。单片机也能根据传感器信号(如光敏、温度、活动传感器)进行自动处理(如根据环境照度自动调节、人体自动感应)并进行故障检测，如果故障出现(如过温度)，将禁止电源工作。

单片机数字控制电路IC1为我公司自主开发的电磁感应灯数字化智能型电源专用控制单片机QM-CPU1，它具有8000字节FLASH，512字节EEPROM，512字节SRAM，三个定时器，10位AD采样精度，尤其是具有二个12位高速专用功率级控制器(PSC)，带功率因数校正功能，自带死区时间的反向互补的变频PWM功能方便灯光的调节控制，集成DALI协议，自动检测“Swiss”或0-10伏亮度调节信号，从而简化了硬件电路，轻松实现可编程点燃灯管、可高精度数字调光、按对数规律调光、诊断和故障保护、光隔离通讯、低功耗待机模式等功能。管脚功能参见图6。

本发明软件设计的关键是根据电磁感应灯从启动到正常工作各个阶段的不同控制模式，确定模式转换或控制变量变化的转折点，选择合理的控制量，使得电源的输出特性与电磁感应灯的动态特性相匹配。灯触发前，必须为灯提供一定的开路电压，其控制模式为电压反馈控制。设定一个电压基准变量值，可根据需要控制开路电压大小。判断灯是否触发最重要的标志是灯动态电流的变化，可通过设定电流门坎来判别。当低温状态一次触发不成功，数字控制器将作适当延时后再次触发。重复点火若干次以后，触发不成功将进入故障状态，禁止电源工作。一旦检测灯已经触发，数字控制器开始调节灯电流，此阶段灯电流的大小决定灯到达稳定状态的时间。这个期间还可根据灯电压变化设定不同的控制电流和功率。灯进入稳态工作时，设定功率基准，进行功率反馈模式，使灯保持在恒功率下工作。

上电复位后，单片机开始工作。单片机检测错误并获得接口电路进入的数据。如果接收的是有效数据，而且地址匹配，说明是本电源的数据；如果是组匹配，则确定组关系。一旦获得正确指令，程序立即执行相应子程序。这些指令包括控制指令、配置指令、请求指令、广播指令等。控制指令产生相应的信号送到驱动器，控制相关工作状态，通过PWM调整灯光等级等；配置指令用于设置电源，包括设置最小和最大照明门限、衰减时间和速率、分组等级等。这些数据一般存储在EEPROM中，开机时可直接从EEPROM中读取，而不用再设置；请求指令用于反馈电源状态，所有设置都能请求，包括衰减、灯管、一般故障和功率；广播指令是免除地址的，所以全部电源对广播指令都相应，所有功能与电源地址无关。

单片机初始化完成以后，根据指令的需要采用中断的方式产生互补的两个PWM方波，经半桥驱动器进行隔离去驱动功率输出电路，从而达到控制和调节电磁感应灯的目的。同时，电磁感应灯的相关参数和相关信号也直接或间接地反馈到单片机，单片机对这些参数和信号进行再处理。通常这里使用数字PID算法。数字PID算法是一种线性控制，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，单片机再把这个控制量，按照一定的格式从PWM口输出，去驱动功率输出电路，这样整个就构成一个闭环回路实现对灯体的数字控制。由于要根据采样时刻的偏差值计算控制量，所以需要进行离散化处理。具体方法如下：

令e(k)为调节器的输出控制量，

k_p为此例系数，

c_i为积分时间常数，

则采用的其离散形式的PI差分方程为：

u (k) = k_{p} \times e (k) + \frac{k_{p}}{c_{i}} Σ_{i = 0}^{k} e (i) \times T,

u(k)为k时刻输出的控制量，

e(i)为历次偏差信号，可以是电压，电流，功率值的偏差，

e(k)为第k次采样偏差量，T为采样周期，式中积分系数

k_{i} = \frac{k_{p} \times T}{c_{i}} .

以恒压PI控制为例，首先设定电压参考值，即控制的目标值，用16进制数来表示，接着单片机采样输出的灯端电压值，将采样的电压值与参考值进行比较，得到的结果即为e(k)，同时还必须累计保存在这之前的每次偏差值∑e(i)中，选择根据实验得到的Kp、Ki的值代入上述公式即得到第K时刻输出的控制量u(k)。

DALI作为数字化可寻址照明接口，执行标准是IEC929，在欧洲很多国家采取这个标准。用一个2线系统定义数字通讯协议，用以发送和接收指令。它包括1个开始位、8个地址位、8个数据位和2个停止位。在通讯周期内，上升沿定义为开始位，开始位后每个周期的上升沿定义为1，下降沿定义为0，结束位是两个周期的高电平。8个地址位允许一次与16个电源组或64个电源通讯。下传和上传信息的8个数据位完成控制功能，包括的功能有接通/关断、调光等级和衰弱时间等。

举例说明：例如利用电磁感应灯数字化智能型电源对一道路路灯进行系统控制，路灯共有100盏。根据数字可寻址照明接口(DALI)协议，我们可以对其进行地址分配，可分为二组，每组50盏。这样每盏路灯都有一个唯一且不同的地址了。系统控制中可根据需要进行定时开关(如晚上8:00开灯、早上6:00熄灭)、定阶段调节(如晚上20:00——24:00全功率工作、24:00——6:00半功率工作)，在此基础上还可根据环境亮度、气候影响(有无月光)等的不同作自适应适当调节。若按每盏灯100瓦，100盏灯10千瓦，晚上20:00——次日6:00全功率工作共需电量100千瓦时，而使用数字化智能型电源按上述方案使用只需电量70千瓦时，这样又至少多节电30％以上。若系统中采用PC控制，可利用单片机在线自编程技术进行方案的修改，如根据季节变化调整工作时间、特殊路段特定时间的方案修改等。若配备相关设备可实现电能计量、电力监测等功能。若出现问题可立即在PC上反映出来是哪一盏灯的问题。如显示“2380”，可视为第二组第38号灯的灯管出现问题。这样操作将更显方便、快捷。

电磁感应灯数字化智能型电源非常适用于以下场合：

1.道路照明，大型公共场所如车站、码头、机场、地铁，根据不同的照明方案来调整照明；

2.车间或厂房，根据不同的时间或照度来调整照明；

3.小型和开放的办公室，用户可自行控制照明；

4.会议室和教室，需要不同的照明方案来实现不同类型的用途；

5.超市和某些零售店，这些场所的商品销售和布局经常发生改变；

6.需要适应时间、事件和功能的酒店大堂和会议室；

7.餐馆，需要根据时间来调整照明(从早餐到午餐再到晚餐)。

综上所述，电磁感应灯数字化智能型电源采用数字控制方式，基于数字可寻址照明接口(DALI)，利用单片机实现灯的启动过程和稳态运行的控制，使电源与灯不同阶段的负载特性相配合，并且能实现灯的异常状态保护，与传统的模拟控制相比，电路更简单，故障率更低、控制更灵活，节能效果更好，具有十分广阔市场应用前景。

Claims

1. 一种电磁感应灯数字化智能型电源，包括有依次电连接的电磁兼容电路、整流滤波电路、有源功率因数校正电路、半桥驱动功率输出电路，其特征在于：增设了数字控制单片机分别连接有源功率因数校正电路与半桥驱动功率输出电路，与单片机通过接口电路还连接有人机交互界面，并与单片机连接有传感器组。

2. 根据权利要求1所述的一种电磁感应灯数字化智能型电源，其特征是：配设有过电流、过电压、欠电压、过温度、防雷击、重复点火、无负载保护电路。

3. 根据权利要求1所述的一种电磁感应灯数字化智能型电源，其特征是：所述有源功率因数校正电路，主要由功率开关管Q1、升压电感器L1、升压二极管D1、输出滤波电容C2及反馈环路所组成。

4. 根据权利要求1所述的一种电磁感应灯数字化智能型电源，其特征是：所述半驱动功率输出电路主要由半桥驱动芯片IC2和两个功率开关Q2、Q3及配套电路组成。

5. 根据权利要求1所述的一种电磁感应灯数字化智能型电源，其特征是：所述接口电路包括DALI、触摸按键、红外遥控控制接口。

6. 根据权利要求1所述的一种电磁感应灯数字化智能型电源，其特征是：所述数字控制单片机具有8000字节FLASH、512字节EEPROM，512字节SRAM，三个定时器，10位AD采样精度，两个12位高速专用功率级控制器PSC，集成DALI协议，自动检测“SWISS”或0-10伏亮度调节信号。